一種基于fpga的太陽光實時跟蹤裝置及方法
【專利說明】—種基于FPGA的太陽光實時跟蹤裝置及方法
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技術領域
[0002]本發明涉及一種太陽能采集裝置及方法，尤其涉及一種基于FPGA的太陽光實時跟蹤裝置及方法。
【背景技術】
[0003]進入二十一世紀以來，綠色和可持續發展已經成了整個世界都關注的問題，用有限的資源做到可持續發展，已經成為人類文明發展的重要障礙，而這其中能源問題就顯得尤為突出。在我國能源問題同樣突出，能源需求及能源供應的矛盾越來越明顯。而太陽能作為一種新型的綠色可再生能源，具有儲量大、利用經濟、清潔環保等優點。因此，太陽能很可能成為未來一段時間的主導能源，代替原有的諸如煤炭、石油、天然氣等化石燃料，打破其在能源結構中的壟斷。
[0004]人類利用太陽能主要在光電轉換、光化轉換、光熱轉換及光存儲技術等；而現階段，太陽能光電轉換是太陽能應用主要方向，如太陽能庭院燈、用戶發電系統、獨立供電系統等發電系統已經廣泛應用人們生活的各個角落。此外在通信、農業、工業、交通等諸多領域，太陽能幾乎無處不在。與此同時，如何提高太陽能利用效率已經成為太陽能應用領域的首要問題。
[0005]現今，歐洲各國以及日本、美國等國家政府推廣實施光能發電工程計劃，大力普及太陽能住宅區，在住宅的屋頂上裝太陽能電池板以及發電設備。同時，歐美各國科研機構也在設計更為優秀的太陽光跟蹤裝置，如美國亞利桑那大學推出了利用控制電機的新型太陽能跟蹤裝置，這類裝置采用鋁型材料，結構簡單，體積輕巧，很大程度上提高了跟蹤器的應用技術；此外，近些年來，我國在太陽能技術上也取得飛速發展。其中，我國研制了太陽光單軸液壓自動跟蹤裝置，ZTK型高精度全自動太陽跟蹤控制系統等。但現在的這些普遍存在著價格高，使用不方便；太陽能設備太陽光利用效率低；現存動態跟蹤太陽光系統抗干擾能力差，不能精確跟蹤太陽光而降低太陽光利用，不適宜于復雜環境中實用；維護成本高；運tx故障率尚等缺點。
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【發明內容】

[0007]為解決上述問題本發明提供了一種基于FPGA的太陽光實時跟蹤裝置及方法能精確跟蹤太陽光，提高了太陽光利用效率；抗干擾能力強，能適應復雜環境，維護成本低，運行故障率低。
[0008]為達到上述目的，本發明的技術方案如下:
一種基于FPGA的太陽光實時跟蹤裝置，包括太陽光定位系統、執行機構和電源模塊，所述太陽光定位系統通過信號調理電路與FPGA主控系統傳連接；所述FPGA主控系統分別連接執行機構和計算機終端管理系統；所述太陽光定位系統、執行機構和計算機終端管理系統均與電源模塊連接；所述FPGA主控系統包括FPGA主控芯片，所述FPGA主控芯片分別與晶振、JTAG下載接口、FLASH芯片、SDRAM芯片、E2PR0M芯片、USB接口和顯示接口連接；所述信號調理電路包括濾除壞境中的雜波以及系統自身的熱噪聲等影響因素的濾波電路、運算放大電路和二值化電路拓撲結構，所述濾波電路包括低通巴爾沃斯濾波器與高通切比雪夫濾波器；所述計算機終端管理系統包括無線通信模塊和上位機，計算機終端管理系統通過無線通信模塊與計算機終端連接；所述太陽光定位系統包括投過陽光的透明罩，所述透明罩位于平臺上，所述平臺中部為凸透鏡，所述平臺的凸透鏡外周設有若干光電二極管，所述凸透鏡下部為鏡筒，所述鏡筒底部設置有四象限光電探測器；所述執行機構包括通過多重齒輪進行減速調節的機械傳動機構，所述機械傳動機構上設置有控制太陽能電池板的水平方向的減速步進電機一、控制太陽能電池板的豎直方向的減速步進電機二和太陽能電池板。
[0009]進一步的改進，所述FPGA主控芯片為Cyclone IV系列的EP4CE15F17C8芯片；所述晶振為50MHz有源晶振；所述FLASH芯片由AM29LV320并行FLASH芯片和M25P64串行FLASH芯片集合而成；所述SDRAM芯片為IS61LV25616的SDRAM芯片；所述E2PR0M芯片為24L04的E2PR0M芯片；所述USB接口為CH376支持USB主機模式與USB從機模式的USB接
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[0010]進一步的改進，所述光電二極管為4個，且相鄰光電二極管之間的距離相等。
[0011]進一步的改進，所述上位機中安裝有通過⑶I工具設計的可視化良好、操作簡潔的運行控制界面。
[0012]一種基于FPGA的太陽光實時跟蹤方法，包括如下步驟:
步驟一)打開電源模塊；
步驟二)初步定位:太陽光定位系統上的光電二極管接受太陽光產生電壓差異信號，所述差異信號通過信號調理電路放大、濾波和二值化后形成初步定位信號輸入FPGA主控系統，FPGA主控系統根據接收到的初步定位信號控制減速步進電機調節太陽光定位系統的方向，使太陽光照射到四象限光電探測器上；
步驟三)精確定位:四象限光電探測器接受太陽光后產生光電信號，所述光電信號通過信號調理電路放大、濾波和二值化后形成精確定位信號輸入FPGA主控系統，FPGA主控系統根據精確定位信號控制減速步進電機一和減速步進電機二通過機械傳動機構調節太陽能電池板的方向，使太陽能電池板與太陽光保持最大的接觸面；
步驟四)系統檢查與控制:通過計算機終端管理系統中的無線通信模塊，在計算機終端或上位機上查看太陽光實施跟蹤系統內部運行的狀態，當太陽光實施跟蹤系統內部出現錯誤時，進行更正。
[0013]本發明的特點以及有益效果:適合需要實時自動跟蹤太陽光照的場合，使太陽能設備與太陽光保持最大的接觸面，能實現太陽能設備保持最高的工作效率，同時，抗干擾能力強，對于突發事件的響應速度更快，具有安裝簡單，運行穩定，效率高，成本低，易于維護等特點。系統不僅適用于規模較大的太陽能發電，也適合于家庭太陽能熱水器等利用太陽能設備。
[0014]【附圖說明】: 圖1實施例1的一種基于FPGA的太陽光實時跟蹤方法結構示意圖。
[0015]圖2實施例1的太陽光定位系統的結構示意圖；
圖3實施例1的以FPGA為主控芯片的主控系統結構示意圖；
圖4實施例1的執行機構示意圖。
[0016]其中:1、太陽光定位系統；2、信號調理電路；3、FPGA主控系統；4、執行機構；5、計算機終端管理系統；6、電源模塊；7計算機終端；11、透明罩；12、光電二極管；13、凸透鏡；14、鏡筒；15、四象限光電探測器；41、機械傳動機構；42、減速步進電機一 ；43、減速步進電機二 ；44、太陽能電池板。
[0017]具體實施方法
下面結合附圖和實例對本發明做進一步詳細說明。
[0018]實施例1
如圖1-4所示的一種基于FPGA的太陽光實時跟蹤裝置，包括太陽光定位系統1、執行機構4和電源模塊6，所述太陽光定位系統I通過信號調理電路2與FPGA主控系統3傳連接；所述FPGA主控系統3分別連接執行機構4和計算機終端管理系統5 ;所述太陽光定位系統1、執行機構4和計算機終端管理系統5均與電源模塊6連接；所述FPGA主控系統3包括FPGA主控芯片，所述FPGA主控芯片分別與晶振、JTAG下載接口、FLASH芯片、SDRAM芯片、E2PR0M芯片、USB接口和顯示接口連接；所述信號調理電路2包括濾除壞境中的雜波以及系統自身的熱噪聲等影響因素的濾波電路、運算放大電路和二值化電路拓撲結構，所述濾波電路包括低通巴爾沃斯濾波器與高通切比雪夫濾波器；所述計算機終端管理系統5包括無線通信模塊和上位機，計算機終端管理系統5通過無線通信模塊與計算機終端7連接；所述太陽光定位系統I包括投過陽光的透明罩11，所述透明罩11位于平臺上，所述平臺中部為凸透鏡13，所述平臺的凸透鏡13外周設有4個光電二極管12，且相鄰光電二極管12之間的距離相等，所述凸透鏡13下部為鏡筒14，所述鏡筒14底部設置有四象限光電探測器15 ;所述執行機構4包括通過多重齒輪